Многоканальный импульсный стабилизатор тока (варианты)

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам, предназначенным для генерации питающего напряжения, и может быть использовано в различных отраслях промышленности для питания различных устройств и установок, в частности в качестве источника питания лазерных диодных сборок (ЛДС) как импульсами, так и постоянным током. Многоканальный импульсный стабилизатор тока содержит N силовых каналов, соединенные друг с другом устройство обратной связи и блок управления, и нагрузку, которая включена между точкой объединения выходов каналов 1-N и общим проводом, блок управления соединен с управляющим входом каждого канала. Каждый канал содержит входной фильтр, ключевой элемент, транзистор в качестве разрядного ключа по первому варианту и выходной фильтр, состоящий из дросселя и выходного конденсатора. Величина индуктивности выбирается исходя из малого времени переходных процессов, фазы ШИМ-сигналов управления каналами сдвинуты относительно друг друга на 2π/N. Емкость конденсатора выбирается минимальной, при этом длительность четверти периода LC-фильтра должна быть меньше максимально допустимой длительности переднего фронта импульса накачки. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам, предназначенным для генерации питающего напряжения, и может быть использовано в различных отраслях промышленности для питания различных устройств и установок, в частности в качестве источника питания лазерных диодных сборок (ЛДС) как импульсами, так и постоянным током.

Известна схема многофазного импульсного преобразователя, который содержит N силовых каналов, соединенных параллельно, блок управления, блок обработки сигналов обратной связи, нагрузку, которая включена между точкой объединения выходов каналов и общим проводом, и фильтрующий (выходной) конденсатор, который подключен параллельно нагрузке, блок управления соединен с управляющим входом каждого канала, блок обработки сигналов обратной связи соединен с датчиком тока каждого из каналов и блоком управления. Управляющий вход каждого канала соединен с драйвером ключевых элементов канала (п. США №8754618, МПК G05F 11/00, опубл. 2011 г.).

При использовании данного стабилизатора возможно получение больших значений выходного тока, при использовании элементной базы с пониженными требованиями к максимальному току. За счет использования многоканальной схемы возможно уменьшить объем и массу, а также повысить надежность изделия.

Однако использование на выходе устройства накопительного конденсатора увеличивает массу и габариты изделия, а также существенно увеличивает время переходных процессов, что не позволяет использовать данный преобразователь для генерации импульсов с короткими фронтами. Кроме того, в данной схеме реализована отдельная обратная связь для каждого из каналов, что снижает точность управления выходным напряжением за счет суммирования погрешностей каждого из каналов. Из-за особенности реализации управления силовыми ключами, при превышении выходного напряжения выше заданного уровня, разрядный ключ не срабатывает. Это может приводить к повышению уровня помех и пульсаций выходного напряжения.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является многофазный импульсный стабилизатор напряжения, который содержит N силовых каналов, разбитых на N/M групп, включенных параллельно или последовательно, соединенные друг с другом устройство обратной связи и блок управления, и нагрузку, которая включена между точкой объединения выходов каналов 1-N и общим проводом. Фазы ШИМ-сигналов управления каналами сдвинуты относительно друг друга, блок управления соединен с управляющим входом каждого канала. Выходы силовых каналов объединены и соединены параллельно или последовательно с нагрузкой. Каждый канал и цепь нагрузки соединены с блоком управления (а.с. РФ №1704142, МПК G05F 1/56, опубл. 1992 г.).

Блок управления содержит генератор синхроимпульсов, источник опорного напряжения, блок сравнения, N формирователей пилообразного напряжения, N широтно-импульсных модуляторов, N блоков согласования, N/M узлов синхронизации. Каждый блок синхронизации содержит делитель частоты на М и М-разрядный регистр сдвига.

При использовании данного стабилизатора можно снизить требования к частотному диапазону используемой элементной базы. При этом использование конкретно взятой элементной базы позволяет реализовать многофазный стабилизатор с большим числом параллельно (последовательно) работающих силовых каналов. Указанное уменьшает объем и массу, повышает надежность, уменьшает уровень излучаемых помех многофазного импульсного стабилизатора.

Однако в данной схеме отсутствует система запуска источника питания по внешнему синхроимпульсу, что не позволяет использовать ее для питания нагрузки импульсами. Это существенно ограничивает область применения схемы. Точность стабилизации ограничена точностью формирователей сигналов управления. Кроме того, каждый из каналов содержит свой формирователь пилообразного напряжения и устройство формирования ШИМ (широтно-импульсного модулированного) сигнала, работа которого основана на сравнении опорного сигнала с уровнем пилообразного сигнала. Соответственно, каждый канал имеет определенную погрешность формирования выходного ШИМ-сигнала, это приводит к увеличению общей погрешности стабилизатора. Схема синхронизации сложна, так как имеется N/M-1 каналов синхронизации.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) лазерного диода схожа с ВАХ диода, поэтому лазерные диодные сборки необходимо питать стабилизированным током. При этом желательно ограничивать предельное напряжение на выходе источника питания для защиты нагрузки и самого источника питания при нештатных ситуациях.

Существует 2 типа лазерных диодных сборок: непрерывные ЛДС - питаемые непрерывным током, и импульсные ЛДС - питаемые импульсным током. В настоящее время в продаже существуют модули питания, которые возможно применить для питания непрерывных ЛДС, например TDK-Lamda серии Genesys (Каталог TDK Lambda).

Импульсные ЛДС имеют особенные требования к форме импульса питающего тока. Длительность питающего импульса, как правило, для неодимовых лазеров составляет 250 мкс («Мощные твердотельные лазеры на Nd:YAG с поперечной диодной накачкой и улучшенным качеством излучения». Журнал теоретической физики, 2011 г., том 81, вып. 8), длительность переднего фронта - 8-15 нс. Поэтому создание источника питания для импульсных ЛДС является технически сложной задачей.

Одним из способов питания импульсных ЛДС является линейный (последовательный) аналоговый стабилизатор тока, широко известный в технике (Ирвинг М., Готтлиб «Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы» М.: Постмаркет, 2000, с.с. 228-234). Его работа основана на том, что в цепь нагрузки последовательно с ней включен некоторый управляющий элемент. Для обеспечения импульсного режима работы стабилизатор тока включается по внешнему синхроимпульсу.

Данный тип преобразователя отличается простотой и малым уровнем пульсаций.

Основным недостатком данного стабилизатора является его низкий КПД (менее 80%). Это требует применения больших радиаторов, которые существенно увеличивают массу и габариты конечного изделия.

Другим способом питания импульсных ЛДС является использование импульсных стабилизаторов тока. Их работа основана на преобразовании постоянного входного напряжения в высокочастотный переменный ток для его последующей трансформации в напряжение нужного уровня и выпрямления. Для снижения нагрузки на силовые компоненты схемы преимущественным является использование многофазных импульсных стабилизаторов тока.

Основное преимущество преобразователей данного типа заключается в их КПД, который при правильном проектировании может превышать 90%. Это избавляет от необходимости использования больших радиаторов что, в свою очередь, существенно снижает габариты изделия.

Однако применение стабилизаторов данного типа затруднено в схемах, где нагрузку необходимо питать прямоугольными импульсами, поскольку время переходных процессов в импульсном стабилизаторе велико и существенно больше времени переходных процессов в схемах последовательных стабилизаторов тока. Это вызвано необходимостью использования конденсаторов большой емкости на выходе импульсного стабилизатора для снижения пульсаций и достижения требуемой стабильности его выходного тока. Данное ограничение делает невозможным применение импульсных стабилизаторов тока для питания импульсных ЛДС, что вызвано высокими требованиями к точности стабилизации тока и длительности фронтов питающих импульсов.

Задача, на решение которой направлено изобретение - создание универсального источника для питания ЛДС как импульсами, так и постоянным током, обладающего высоким КПД.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения - обеспечение малого времени переходных процессов.

Сущность первого варианта заключается в том, что в многоканальном импульсном стабилизаторе тока, который содержит N силовых каналов, соединенных параллельно, соединенные друг с другом устройство обратной связи и блок управления, и нагрузку, которая включена между точкой объединения выходов каналов 1-N и общим проводом, фазы ШИМ-сигналов управления каналами сдвинуты относительно друг друга, блок управления соединен с управляющим входом каждого канала, особенность заключается в том, что каждый канал содержит входной фильтр, ключевой элемент, транзистор в качестве разрядного ключа и выходной фильтр, состоящий из дросселя и выходного конденсатора, входной фильтр подключен параллельно силовому входу канала, ключевой элемент включен последовательно, выходной конденсатор включен параллельно с нагрузкой, ключевой элемент, дроссель и выход канала соединены последовательно, разрядный ключ включен между общим проводом канала и точкой соединения ключевого элемента и дросселя, цепь нагрузки содержит устройство обратной связи, блок управления соединен с входом управления разрядным ключом каждого канала 1-N и с входом управления ключевым элементом каждого канала 1-N, который соединен с управляющим входом его ключевого элемента, управляющий вход разрядного ключа соединен с входом управления разрядным ключом каждого канала, величина индуктивности выбирается, исходя из малого времени переходных процессов, фазы ШИМ-сигналов управления каналами сдвинуты относительно друг друга на 2π/N, емкость конденсатора выбирается минимальной, при этом длительность четверти периода LC-фильтра должна быть меньше максимально допустимой длительности переднего фронта импульса накачки.

Создание стабилизатора указанным выше образом обеспечило высокую точность стабилизации тока и малое время переходных процессов за счет сложения пульсаций тока, сдвинутых по фазе относительно друг друга, и увеличения эквивалентной разрядности ШИМ-сигнала. Добились существенного снижения пульсаций выходного тока, возникающих при работе импульсного источника питания и связанных с процессами накопления энергии в дросселе без использования на выходе конденсатора большой емкости. Для фильтрации высокочастотных помех используется конденсатор малой емкости, не оказывающий существенного влияния на длительность переходных процессов.

Все это обеспечило малую длительность фронтов импульса, что позволило создать универсальный источник для питания ЛДС как импульсами, так и постоянным током, который обладает высоким КПД.

Сущность второго варианта заключается в том, что в многоканальном импульсном стабилизаторе тока, который содержит N силовых каналов, соединенных параллельно, соединенные друг с другом устройство обратной связи и блок управления, и нагрузку, которая включена между точкой объединения выходов каналов 1-N и общим проводом, фазы ШИМ-сигналов управления каналами сдвинуты относительно друг друга, блок управления соединен с управляющим входом каждого канала, особенность заключается в том, что каждый канал содержит входной фильтр, ключевой элемент, диод в качестве разрядного ключа и выходной фильтр, состоящий из дросселя и выходного конденсатора, входной фильтр подключен параллельно силовому входу канала, ключевой элемент включен последовательно, выходной конденсатор включен параллельно с нагрузкой, ключевой элемент, дроссель и выход канала соединены последовательно, разрядный ключ включен между общим проводом канала и точкой соединения ключевого элемента и дросселя, цепь нагрузки содержит устройство обратной связи, блок управления соединен с входом управления ключевым элементом каждого канала 1-N, который соединен с управляющим входом его ключевого элемента, величина индуктивности выбирается исходя из малого времени переходных процессов, а фазы ШИМ-сигналов управления каналами сдвинуты относительно друг друга на 2π/N, емкость конденсатора выбирается минимальной, при этом длительность четверти периода LC-фильтра должна быть меньше максимально допустимой длительности переднего фронта импульса накачки.

Принцип действия стабилизатора по второму варианту аналогичен работе стабилизатора по первому варианту, а достигаемый при этом технический результат такой же, как и при осуществлении стабилизатора по первому варианту. Отличие заключается в том, что реализация схемы стабилизатора тока по второму варианту позволяет упростить схему.

При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков от прототипа, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. В результате поиска не выявлены технические решения с этими признаками, На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

На фиг. 1 представлена схема многоканального импульсного стабилизатора тока по первому варианту.

На фиг. 2 представлена схема многоканального импульсного стабилизатора тока по второму варианту.

На фиг. 3 приведены графики сложения пульсаций тока через нагрузку.

На фиг. 4 представлены осциллограммы выходного тока при работе в непрерывном режиме.

На фиг. 5 представлена осциллограмма выходного тока в режиме питания нагрузки импульсами 250 мкс.

Многоканальный импульсный стабилизатор тока по первому варианту (фиг. 1) содержит N силовых каналов 1, соединенных параллельно, устройство обратной связи 2, блок управления 3 и нагрузку 4 (R). Каждый канал 1 содержит входной фильтр 5 (фильтрующие конденсаторы Cin), ключевой элемент 6 (VTk, MOSFET транзистор), разрядный ключ 7 (VTr, MOSFET транзистор) и выходной фильтр 8. Выходной фильтр 8 образован дросселем 9 (L) и выходным конденсатором 10 (Cout). Входной фильтр 5 подключен параллельно силовому входу 11 канала, ключевой элемент 6 включен последовательно, выходной конденсатор 10 включен параллельно с нагрузкой 4. Ключевой элемент 6, дроссель 9 и выход канала соединены последовательно. Разрядный ключ 7 включен между общим проводом 12 канала и точкой соединения ключевого элемента 6 и дросселя 9. Блок управления соединен с управляющим входом 13 каждого канала (входом управления ключевым элементом 6 каждого канала).

Нагрузка 4 включена между точкой объединения выходов каналов 1-N и общим проводом 12. Цепь нагрузки содержит устройство обратной связи 2. Блок управления 3 соединен с входом 13 управления ключевым элементом 6 каждого канала 1-N, который в свою очередь соединен с управляющим входом его ключевого элемента 6. Управляющий вход разрядного ключа 7 соединен с входом 14 управления разрядным ключом каждого канала. Блок управления 3 соединен с входом 14 управления разрядным ключом 7 каждого канала 1-N и с блоком обратной связи 2.

Величина индуктивности выбирается, исходя из малого времени переходных процессов. Для достижения малого времени переходных процессов индуктивность дросселя выбирается минимально возможной, исходя из допустимых пульсаций выходного тока. В то же время величина индуктивности дросселя 9 должна быть достаточной для работы стабилизатора в режиме непрерывных токов. Диапазон допустимой величины индуктивности определяется из соотношений:

Где: Uin - максимальное входное напряжение; Uout - минимальное выходное напряжение; ƒ - частота управляющего ШИМ-сигнала; L - индуктивность дросселя; tmax - длительность переднего фронта; Δi - максимальные пульсации тока в нагрузке; ii - ток через нагрузку. Нагрузкой импульсного стабилизатора являются диоды, которые можно представить в виде последовательно включенных резистора с сопротивлением Ri и источника ЭДС величиной Ul (данные параметры определяются при анализе ВАХ лазерной диодной сборки). При работе на активную нагрузку величина ЭДС Ul равна нулю. Емкость выходного конденсатора выбирается минимально необходимой для фильтрации высокочастотных помех. Ее величину Cout можно определить по формуле:

При этом для обеспечения требуемой длительности переходных процессов емкость конденсатора должна быть не более:

В этом случае длительность четверти периода LC-фильтра, образованного выходным конденсатором 10 и дросселем 9, будет меньше максимально допустимой длительности переднего фронта импульса накачки.

Таким образом, и индуктивность дросселя, и емкость выходного конденсатора выбираются исходя из условия достижения минимальной длительности переходных процессов.

Фазы ШИМ-сигналов управления каналами сдвинуты относительно друг друга на 2π/n, где n - число каналов.

Многоканальный импульсный стабилизатор тока по второму варианту (фиг. 2) содержит N силовых каналов 1, соединенных параллельно, устройство обратной связи 2, блок управления 3 и нагрузку 4 (R). Каждый канал 1 содержит входной фильтр 5 (фильтрующие конденсаторы Cin), ключевой элемент 6 (VTk, MOSFET транзистор), разрядный ключ 7 (разрядный диод VD) и выходной фильтр 8. Выходной фильтр 8 образован дросселем 9 (L) и выходным конденсатором 10 (Cout). Входной фильтр 5 подключен параллельно силовому входу 11 канала, ключевой элемент 6 включен последовательно, выходной конденсатор 10 включен параллельно с нагрузкой 4. Ключевой элемент 6, дроссель 9 и выход канала соединены последовательно. Разрядный ключ 7 включен между общим проводом 12 канала и точкой соединения ключевого элемента 6 и дросселя 9. Блок управления соединен с управляющим входом 13 каждого канала (входом управления ключевым элементом 6 каждого канала).

Нагрузка 4 включена между точкой объединения выходов каналов 1-N и общим проводом 12. Цепь нагрузки содержит устройство обратной связи 2. Блок управления 3 соединен с входом 13 управления ключевым элементом каждого канала 1-N, который в свою очередь соединен с управляющим входом его ключевого элемента 6. Блок управления 3 соединен с входом 13 управления ключевым элементом 6 каждого канала 1-N и с блоком обратной связи 2. Величина индуктивности выбирается исходя из малого времени переходных процессов.

Величина индуктивности выбирается исходя из малого времени переходных процессов. Для достижения малого времени переходных процессов индуктивность дросселя выбирается минимально возможной исходя из допустимых пульсаций выходного тока. В то же время величина индуктивности дросселя 9 должна быть достаточной для работы стабилизатора в режиме непрерывных токов. Диапазон допустимой величины индуктивности определяется из соотношений:

Где: Uin - максимальное входное напряжение; Uout - минимальное выходное напряжение; ƒ - частота управляющего ШИМ-сигнала; L - индуктивность дросселя; tmax - длительность переднего фронта; Δi - максимальные пульсации тока в нагрузке; il - ток через нагрузку. Нагрузкой импульсного стабилизатора являются диоды, которые можно представить в виде последовательно включенных резистора с сопротивлением Ri и источника ЭДС величиной Ul (данные параметры определяются при анализе ВАХ лазерной диодной сборки). При работе на активную нагрузку величина ЭДС Ul равна нулю. Емкость выходного конденсатора выбирается минимально необходимой для фильтрации высокочастотных помех. Ее величину Cout можно определить по формуле:

При этом для обеспечения требуемой длительности переходных процессов емкость конденсатора должна быть не более:

В этом случае длительность четверти периода LC-фильтра, образованного выходным конденсатором 10 и дросселем 9, будет меньше максимально допустимой длительности переднего фронта импульса накачки.

Таким образом, и индуктивность дросселя, и емкость выходного конденсатора выбираются исходя из условия достижения минимальной длительности переходных процессов.

Фазы ШИМ-сигналов управления каналами сдвинуты относительно друг друга на 2π/n, где n - число каналов.

Многоканальный импульсный стабилизатор тока по первому варианту работает следующим образом. Работа рассмотрена на основе схемы из четырех каналов.

На вход стабилизатора подается стабилизированное напряжение Uin. Ключевые элементы 6 VT осуществляют высокочастотную коммутацию тока. На входы управления 13 ключевым элементом и входы управления 14 разрядным ключом каждого из каналов 1-N подается ШИМ-сигнал с изменяемой скважностью. Фазы ШИМ-сигналов управления каналами сдвинуты относительно друг друга на 2π/n, где n - число каналов. В данном случае n=4.

Цикл работы каждого из каналов схемы состоит из двух фаз: накачки энергии и разряда. В начальный момент времени ключевые элементы 6М (транзисторы VTk) всех четырех каналов закрыты. На выходе стабилизатора отсутствует какой-либо сигнал. Напряжение Uin поступает на входные фильтры 5 (фильтрующие конденсаторы Cin) всех четырех каналов. Фаза накачки энергии начинается при открывании транзистора 61 VTk, которое происходит при возникновении активного фронта сигнала на входе управления ключевым элементом канала 1. Ток, проходящий через транзистор, далее проходит через дроссель 91 к нагрузке 4, шунтированной выходным конденсатором 101 Cout. Накопление энергии происходит в дросселе 91 (так как емкость конденсатора мала, в нем накопления энергии практически не происходит). Ток il увеличивается.

Пульсациям тока канала 1 соответствует линия 1 на фиг. 3, фазе накачки энергии в данном канале соответствует участок Ton. В момент времени t1 происходит появление активного фронта сигнала на входе управления ключевым элементом канала 2. Это вызывает открытие транзистора 62VT канала 2 и, аналогично каналу 1, происходит рост тока через дроссель и запас в нем энергии (линия II на фиг. 3). Тем временем, сигнал на входе управления ключевым элементом канала 1 переходит в состояние логического нуля, а сигнал на входе управления разрядным ключом канала 1 переходит в состояние логической единицы, и в момент времени t2 ключевой элемент 61 (транзистор канала 1) закрывается, а разрядный ключ 7 канала 1 открывается - в этом канале наступает фаза разряда (участок Toff на фиг. 3).

Поскольку любой индуктивный элемент стремится воспрепятствовать изменению направления и величины тока, протекающего через его обмотку, в данном случае ток дросселя i1 первого канала мгновенно измениться не может, и он замыкается через разрядный ключ 7. Источник питания в фазе разряда отключен, и дросселю неоткуда пополнить убыль энергии, поэтому разряд происходит по цепи «разрядный ключ-нагрузка».

Пульсации тока через нагрузку в течение одного периода работы, которые возникают вследствие процессов накопления энергии дросселем и его последующей разрядки в каждом из N каналов, показаны на фиг. 3.

Между тем, в момент времени t3 (фиг. 3), аналогично каналам 1 и 2, происходит открывание ключевого элемента 63 (транзистора канала 3). Ток через дроссель 92 канала 2 возрастает до момента времени t4, после чего ключевой элемент данного канала закрывается, а разрядный ключ открывается и так же происходит фаза разряда для канала 2.

На выходе стабилизатора по закону Кирхгофа происходит сложение токов всех каналов.

Фаза разряда для канала 1 происходит до момента времени t5 (фиг. 3). После чего процесс для канала 1 повторяется - наступает фаза накачки энергии (не показано).

Аналогичные процессы происходят во всех четырех каналах. Пульсациям тока каналов 3 и 4 соответствуют линии III и IV соответственно (фиг. 3). Отличие состоит только в сдвиге фазы управляющего ШИМ-сигнала. Фазы ШИМ-сигналов управления ключевыми элементами и разрядными ключами каналов сдвинуты относительно друг друга на 2π/n, где n - число каналов. Благодаря этому, как видно из фиг. 3, пульсации тока в индуктивности каждого из каналов также сдвинуты по фазе и за счет этого при сложении на выходе компенсируют друг друга. Пульсациям тока на выходе стабилизатора соответствует линия V на фиг. 3. Для равномерности распределения нагрузки по каналам времена Ton и Toff должны быть приблизительно одинаковыми для каждого из каналов.

Так как напряжение на выходе стабилизатора определяется соотношением длительности промежутков времени Ton и Toff (скважностью ШИМ-сигнала), для стабилизации выходного тока нужна схема управления с обратной связью, которая в автоматическом режиме изменяет скважность ШИМ-сигналов управления ключевыми элементами и разрядными ключами, в зависимости от выходного тока. В качестве управляющей схемы можно применить микроконтроллер или ПЛИС (программируемую интегральную логическую схему) с управляющей программой, реализующей необходимый режим работы.

Таким образом, возможно добиться существенного снижения пульсации выходного тока без использования конденсаторов большой величины на выходе стабилизатора, так как пульсации на выходах каналов будут в противофазе и частично скомпенсируются.

Из фиг. 3 видно, что даже при числе каналов N, равном четырем, можно добиться существенного снижения пульсаций выходного тока.

Для повышения точности поддержания выходного тока или напряжения в устройстве управления реализуется специальный алгоритм увеличения эквивалентной разрядности ШИМ-сигнала. Суть алгоритма состоит в том, что каналы стабилизатора рассматриваются как отдельные, поскольку ток на выходе складывается, то небольшое изменение тока в одном из каналов, при сохранении тока в остальных каналах, приведет к увеличению выходного тока стабилизатора на ту же величину. Таким образом, учитывая этот факт, эквивалентная разрядность ШИМ-сигнала будет равна M+Log2(N), где М - разрядность ШИМ отдельного канала, N - число каналов. При этом каналы учитываются как младшие биты в эквивалентном сигнале. Так, например, для четырех каналов с разрядностью ШИМ-сигнала, равной 8, эквивалентная разрядность ШИМ-сигнала будет равна 10, а для восьми каналов с разрядностью 8 эквивалентная разрядность уже равна 11. Для расчета результирующей величины ШИМ эквивалентное значение ШИМ делится на количество каналов, после чего остаток от деления равномерно распределяется по каналам.

Для питания импульсных матриц необходимо, чтобы длительность переднего фронта составляла не более 25 мкс. Время включения импульса определяется длительностью переходных процессов в выходных цепях импульсного стабилизатора. Она в данной схеме определяется емкостью конденсатора Cout и индуктивностью дросселя L (формулы 1-3). От них также зависит величина пульсаций выходного тока стабилизатора. Поскольку величина Cout в многоканальном стабилизаторе выбрана минимально возможной и ее величина не оказывает существенного влияния на длительность переходного процесса, длительность переднего фронта определяется в основном индуктивностью дросселя L.

Многоканальный импульсный стабилизатор тока по второму варианту работает аналогично стабилизатору по первому варианту, отличие заключается в том, что стабилизатор тока по второму варианту не имеет входа управления разрядным ключом, в качестве которого в данном случае используется диод. Разрядный ключ сам открывается после того, как закрывается ключевой элемент, поскольку в этот момент времени напряжение на его аноде начинает превышать напряжение на катоде.

На предприятии проведены испытания многоканального импульсного стабилизатора тока. Была использована схема из восьми идентичных каналов с архитектурой Step Down. Управление силовой частью схемы, в том числе генерация восьмиканального ШИМ-сигнала, была реализована на микроконтроллере. Осциллограммы выходного тока при работе в непрерывном режиме представлены на фиг. 4.

КПД схемы при работе в таком режиме составляет 93%, амплитуда пульсаций не превышает +/-2%. Также была проверена работа устройства в режиме питания нагрузки импульсами 250 мкс. Осциллограмма выходного тока представлена на фиг. 5.

Амплитуда пульсаций выходного тока при работе в таком режиме не превышает 2,5%.

Вывод: таким образом, достигнут высокий КПД при низком уровне пульсаций и короткой длительности переднего фронта импульсов тока. При этом разработан универсальный источник питания, который может широко использоваться в разнообразных видах промышленности и, несомненно, расширяет возможности специалистов электротехники.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в электронной и оптико-механической промышленности при изготовлении лазерных устройств и систем питания различного назначения;

- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

1. Многоканальный импульсный стабилизатор тока содержит N силовых каналов, соединенных параллельно, соединенные друг с другом устройство обратной связи и блок управления, и нагрузку, которая включена между точкой объединения выходов каналов 1-N и общим проводом, фазы ШИМ-сигналов управления каналами сдвинуты относительно друг друга, блок управления соединен с управляющим входом каждого канала, отличающийся тем, что каждый канал содержит входной фильтр, ключевой элемент, транзистор в качестве разрядного ключа и выходной фильтр, состоящий из дросселя и выходного конденсатора, входной фильтр подключен параллельно силовому входу канала, ключевой элемент включен последовательно, выходной конденсатор включен параллельно с нагрузкой, ключевой элемент, дроссель и выход канала соединены последовательно, разрядный ключ включен между общим проводом канала и точкой соединения ключевого элемента и дросселя, цепь нагрузки содержит устройство обратной связи, блок управления соединен с входом управления разрядным ключом каждого канала 1-N и с входом управления ключевым элементом каждого канала 1-N, который соединен с управляющим входом его ключевого элемента, управляющий вход разрядного ключа соединен с входом управления разрядным ключом каждого канала, величина индуктивности выбирается исходя из малого времени переходных процессов, фазы ШИМ-сигналов управления каналами сдвинуты относительно друг друга на 2π/N, емкость конденсатора выбирается минимальной, при этом длительность четверти периода LC-фильтра должна быть меньше максимально допустимой длительности переднего фронта импульса накачки.

2. Многоканальный импульсный стабилизатор тока содержит N силовых каналов, соединенных параллельно, соединенные друг с другом устройство обратной связи и блок управления, и нагрузку, которая включена между точкой объединения выходов каналов 1-N и общим проводом, фазы ШИМ-сигналов управления каналами сдвинуты относительно друг друга, блок управления соединен с управляющим входом каждого канала, отличающийся тем, что каждый канал содержит входной фильтр, ключевой элемент, диод в качестве разрядного ключа и выходной фильтр, состоящий из дросселя и выходного конденсатора, входной фильтр подключен параллельно силовому входу канала, ключевой элемент включен последовательно, выходной конденсатор включен параллельно с нагрузкой, ключевой элемент, дроссель и выход канала соединены последовательно, разрядный ключ включен между общим проводом канала и точкой соединения ключевого элемента и дросселя, цепь нагрузки содержит устройство обратной связи, блок управления соединен с входом управления ключевым элементом каждого канала 1-N, который соединен с управляющим входом его ключевого элемента, величина индуктивности выбирается исходя из малого времени переходных процессов, а фазы ШИМ-сигналов управления каналами сдвинуты относительно друг друга на 2π/N, емкость конденсатора выбирается минимальной, при этом длительность четверти периода LC-фильтра должна быть меньше максимально допустимой длительности переднего фронта импульса накачки.



 

Похожие патенты:

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в снижении до безопасных значений токов цепей управляемых выпрямителей напряжения (УВН) (1), возникающих при подключении УВН с незаряженным выходным конденсатором (20) к источнику напряжения (ИН) (3) переменного тока в моменты времени, когда напряжение ИН близко к его амплитудному значению, в упрощении, ускорении и повышении качества настройки емкости выходного конденсатора (20), индуктивности токоограничивающего реактора (34) УВН и коэффициентов передачи связей между элементами управляющего устройства (5).

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления импульсными стабилизаторами постоянного напряжения повышающего типа с широтно-импульсной модуляцией, который подключен к источнику энергии ограниченной мощности, обладающему свойствами источника тока.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователях понижающего и повышающего типа. Техническим результатом является повышение эффективности преобразователя в широком диапазоне входных и выходных напряжений в различных приложениях.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в нагрузочных системах множественного доступа с временным разделением каналов. Техническим результатом является компенсация мощности при сниженных емкостях в схеме разъема, обеспечивающих компенсацию мощности, гарантируя при этом рабочие параметры источника питания с USB-интерфейсом.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления обратноходовым преобразователем или промежуточным вольтодобавочным преобразователем.

Изобретение относится к стабилизированным источникам вторичного питания и может быть использовано для питания различных радиотехнических устройств. Технический результат - повышение надежности введением схемы защиты от коротких замыканий выходов или в момент подключения источника входного напряжения; повышение качества стабилизации посредством применения термостабильного источника опорного напряжения; снижение потерь мощности уменьшением выходного тока драйвера и расширение диапазона входных напряжений при помощи вольтдобавки в схеме управления между затвором и стоком регулирующего МДП-транзистора.

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано для управления температурой. Обеспечены электронное устройство управления температурой, охладитель, использующий его, нагреватель, использующий его, и способ управления им.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

Изобретение относится к электротехнике, а именно - к силовой электронике, и может быть использовано для управления импульсными полупроводниковыми преобразователями постоянного напряжения.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам управления импульсным многофазным преобразователем постоянного напряжения повышающего типа, и может быть использовано в зарядно-разрядных устройствах, в устройствах имитации аккумуляторной батареи, имитации нагрузки, используемых для испытаний систем электроснабжения, а также в других устройствах, где требуется получать стабилизированный ток и постоянное выходное напряжение при изменении входного напряжения в широких пределах.

Устройство для управления количеством энергии, сохраняемой в накопительном устройстве, содержит блок управления, который выполнен с возможностью регулировки мощности, принимаемой через вход устройства для управления, основываясь на количестве энергии, сохраняемой в текущий момент времени в накопительном устройстве, и который дополнительно выполнен с возможностью вывода отрегулированной мощности через выход устройства для управления на накопительное устройство. Технический результат - повышение надежности работы накопительного устройства совместно с нагрузкой, в частности с осветительным устройством. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области автоматического управления и предназначено для импульсных преобразователей напряжения, может найти широкое применение в управлении электроприводами и регулируемыми вторичными источниками питания. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей способа для управления преобразователями постоянного напряжения за счет того, что во время работы преобразователя учитывается текущее значение индуктивности дросселя фильтра. Поставленный технический результат достигается путем введения в устройство, реализующее предложенный способ управления, блока вычислителя текущего значения индуктивности дросселя фильтра, один вход которого соединен с выходом первого датчика тока, второй вход - с выходной шиной преобразователя, выход соединен с входом введенного блока цифрового фильтра-усреднителя, выход которого соединен с пятым входом блока расчета. 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электропитанием. Технический результат - обеспечение корректного пуска импульсного выпрямителя по напряжению и/или по току согласно требованиям питаемого объекта и в соответствии с внешней средой импульсного выпрямителя. Способ управления плавным пуском импульсного выпрямителя включает: получение параметра внешней среды импульсного выпрямителя и характерного параметра электропитания питаемого объекта, установку стратегии пуска по напряжению и/или стратегии пуска по току для импульсного выпрямителя согласно параметру внешней среды и характерному параметру электропитания и управление напряжением и/или током импульсного выпрямителя, чтобы запустить его до напряжения и/или тока при полной нагрузке согласно стратегии пуска по напряжению и/или стратегии пуска по току. Предлагается также устройство для управления пуском импульсного выпрямителя. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в многофазных импульсных преобразователях питания. Техническим результатом является снижение потерь энергии и улучшение качества напряжения. В способе управления N-фазным импульсным преобразователем постоянного напряжения, состоящем в формировании и подаче на параллельно включенные N силовых блоков импульсов управления, изменяемых по скважности в зависимости от требуемой величины выходного напряжения и сдвинутых друг от друга на время равное 1/Nf, где f - частота этих импульсов (Гц), и в контроле состояния силовых фазных блоков при обнаружении отказов m силовых блоков взаимный сдвиг импульсов устанавливают равным 1/(N-m)f. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам, предназначенным для генерации питающего напряжения, и может быть использовано в различных отраслях промышленности для питания различных устройств и установок, в частности в качестве источника питания лазерных диодных сборок как импульсами, так и постоянным током. Многоканальный импульсный стабилизатор тока содержит N силовых каналов, соединенные друг с другом устройство обратной связи и блок управления, и нагрузку, которая включена между точкой объединения выходов каналов 1-N и общим проводом, блок управления соединен с управляющим входом каждого канала. Каждый канал содержит входной фильтр, ключевой элемент, транзистор в качестве разрядного ключа по первому варианту и выходной фильтр, состоящий из дросселя и выходного конденсатора. Величина индуктивности выбирается исходя из малого времени переходных процессов, фазы ШИМ-сигналов управления каналами сдвинуты относительно друг друга на 2πN. Емкость конденсатора выбирается минимальной, при этом длительность четверти периода LC-фильтра должна быть меньше максимально допустимой длительности переднего фронта импульса накачки. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

Наверх